D0I:10.13374.issn1001-053x.2011.10.014 第33卷第10期 北京科技大学学报 Vol.33 No.10 2011年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2011 电炉流程中热管式余热回收 杨振国2》8刘青) 谢银幕) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)莱芜钢铁股份有限公司特殊钢厂，莱芜271105 ☒通信作者，E-mail:wyg@163.com 摘要结合国内外电炉烟气热量处理的现状，分析了热管式余热回收的原理及特点，研究了其系统的结构特点、工艺流程、 关键参数以及如何使系统产生的蒸汽质量满足VD(RH)炉生产的要求，并对其在莱钢50：电炉余热回收中的工程应用情况进 行了阐述，指出该技术具有良好的应用前景 关键词电弧炉：热管：烟气：余热利用 分类号T℉741.5 Waste heat recovery with heat pipes in the modern electric arc furnace process YANG Zhen-guo2☒，LIU Qing”,XIE Yin-m2 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Seience and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Special Steel Plants,Laiwu Steel Co.Ltd.,Laiwu 271105,China Corresponding author,E-mail:Iwyzg@163.com ABSTRACT The principle and characteristic of waste heat recovery with heat pipes were analyzed in combination with the present condition of utilizing electric arc furnace (EAF)flue gas at home and abroad.The structure character,technical processes,and key parameters of this system were studied comprehensively.How to make high quality steam to meet the demand of VD(RH)furnaces was also discussed.A practical application of waste heat recovery in 50t EAF in Laiwu Steel shows a good prospect of the technology. KEY WORDS electric arc fumaces:heat pipes;flue gas:waste heat utilization 电炉在治炼过程中产生大量的高温含尘烟气. 粉尘浓度等参数随着电炉治炼周期而变化，造成热 近年来，随着电炉兑加铁水比例的增加，碳氧枪的应 负荷变化大、热强度高，当前绝大多数电炉的烟气余 用和供氧强度的加大，电炉治炼强度明显提升，治炼热未得到充分有效利用.传统电炉冶炼工艺在高温 周期缩短至50min以内，在熔化及氧化期内烟尘的 烟气经布袋除尘器净化前，首先通过水冷烟道、蒸发 生成量急剧增加，仅通过顶烟罩除尘方式己不能有 冷却塔间接冷却降温或直接喷水冷却降温同，不仅 效捕集烟尘，且电炉烟气携带的热量约为电炉输入 高温烟气热能没有回收，而且运行电耗高、水耗高： 总能量的15%0，某些时段甚至高达30%以上回. 在国内运行的Consteel电炉，烟气通过废钢预热通 节能减排是钢铁工业发展的一项战略方针，也是降 道后的出口温度在400℃左右，只能回收烟气中一 低钢铁产品成本的重要措施，因此有效回收电炉高 半的热量0 温烟气将会产生巨大的经济效益.热管式余热回收 2热管式余热回收技术及其优点 技术的成功研发实践，填补了国内电弧炉余热利用 的空白，成为国内电炉节能环保的发展方向 热管是一种新型高效的传热元件，它由管壳、吸 电炉余热回收的现状 液芯和端盖组成，管内充入适量的工作液体，并具有 一定的真空度.它依靠自身内部工作液体相变实现 由于电炉治炼产生的高温烟气，其温度、流量和 传热，具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度 收稿日期：201009-一14 基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-BRO9-O20B)
第 33 卷 第 10 期 2011 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 10 Oct． 2011 电炉流程中热管式余热回收 杨振国1，2) 刘 青1) 谢银幕2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 莱芜钢铁股份有限公司特殊钢厂，莱芜 271105 通信作者，E-mail: lwyzg@ 163． com 摘 要 结合国内外电炉烟气热量处理的现状，分析了热管式余热回收的原理及特点，研究了其系统的结构特点、工艺流程、 关键参数以及如何使系统产生的蒸汽质量满足 VD( RH) 炉生产的要求，并对其在莱钢 50 t 电炉余热回收中的工程应用情况进 行了阐述，指出该技术具有良好的应用前景． 关键词 电弧炉; 热管; 烟气; 余热利用 分类号 TF741． 5 Waste heat recovery with heat pipes in the modern electric arc furnace process YANG Zhen-guo 1，2) ，LIU Qing1) ，XIE Yin-mu2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Special Steel Plants，Laiwu Steel Co． Ltd． ，Laiwu 271105，China Corresponding author，E-mail: lwyzg@ 163． com ABSTRACT The principle and characteristic of waste heat recovery with heat pipes were analyzed in combination with the present condition of utilizing electric arc furnace ( EAF) flue gas at home and abroad． The structure character，technical processes，and key parameters of this system were studied comprehensively． How to make high quality steam to meet the demand of VD( RH) furnaces was also discussed． A practical application of waste heat recovery in 50 t EAF in Laiwu Steel shows a good prospect of the technology． KEY WORDS electric arc furnaces; heat pipes; flue gas; waste heat utilization 收稿日期: 2010--09--14 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目( FRF--BR09--020B) 电炉在冶炼过程中产生大量的高温含尘烟气． 近年来，随着电炉兑加铁水比例的增加，碳氧枪的应 用和供氧强度的加大，电炉冶炼强度明显提升，冶炼 周期缩短至 50 min 以内，在熔化及氧化期内烟尘的 生成量急剧增加，仅通过顶烟罩除尘方式已不能有 效捕集烟尘，且电炉烟气携带的热量约为电炉输入 总能量的 15%［1］，某些时段甚至高达 30% 以上［2］． 节能减排是钢铁工业发展的一项战略方针，也是降 低钢铁产品成本的重要措施，因此有效回收电炉高 温烟气将会产生巨大的经济效益． 热管式余热回收 技术的成功研发实践，填补了国内电弧炉余热利用 的空白，成为国内电炉节能环保的发展方向． 1 电炉余热回收的现状 由于电炉冶炼产生的高温烟气，其温度、流量和 粉尘浓度等参数随着电炉冶炼周期而变化，造成热 负荷变化大、热强度高，当前绝大多数电炉的烟气余 热未得到充分有效利用． 传统电炉冶炼工艺在高温 烟气经布袋除尘器净化前，首先通过水冷烟道、蒸发 冷却塔间接冷却降温或直接喷水冷却降温［3］，不仅 高温烟气热能没有回收，而且运行电耗高、水耗高; 在国内运行的 Consteel 电炉，烟气通过废钢预热通 道后的出口温度在 400 ℃ 左右，只能回收烟气中一 半的热量［4］． 2 热管式余热回收技术及其优点 热管是一种新型高效的传热元件，它由管壳、吸 液芯和端盖组成，管内充入适量的工作液体，并具有 一定的真空度． 它依靠自身内部工作液体相变实现 传热，具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.10.014
·1288 北京科技大学学报 第33卷 可变性、热流方向的可逆性以及环境的适应性等特 间相互独立，热流体与蒸汽发生区相互隔离、互不影 性.目前，热管能适应的温度范围一般为-200~ 响，即使单根或数根热管损坏，水、汽也不会进入烟 2000℃，这也是其他传热元件所难以达到的圆 气通道，不影响系统正常运行：第三，整个系统的热 热管蒸汽发生器是由若干根热管元件组合而 量输送过程不需要任何外界动力.因此，热管式换 成，其基本结构及工作原理如图1所示.热管的受 热器在余热回收方面具有装置体积小、结构简单、运 热段置于热流体风道内，热风横掠热管受热段，热管 行稳定和安全可靠等特点 元件的放热段插在水一汽系统内.热流体的热量由 3热管式余热回收技术的工艺流程及关键 热管1传给水套管2内的饱和水（由饱和水下降管 参数的确定 3输入)，并使其汽化，所产蒸汽（汽、水混合物）经蒸 汽上升管5到达汽包4，经汽水分离以后再经蒸汽 3.1热管式余热回收主要工艺流程 主控阀输出.（汽包内的水由后工序补充）这样热管 热管式余热回收系统主要工艺流程是：热管吸 不断将热量输入水套管，通过外部汽一水管道的上 收烟气携带的热量，将水转化成蒸汽并回收利用：同 升及下降完成汽一水循环，达到将热烟气降温、将水 时回收烟气中的粉尘.主要包括水冷烟道、蓄热式 转化为蒸汽的目的. 燃烧沉降室、热管式余热锅炉、清灰系统、布袋式除 尘器、风机及蒸汽蓄热器等部分.热管式余热回收 系统的主要工艺流程如图2所示. 3.1.1烟气系统工艺流程 电炉冶炼过程产生的高温烟气通过炉盖上的第 4孔排出，烟气温度为300~1300℃左右，通过水冷 式移动烟道混风降温，混风后烟气进入蓄热式燃烧 沉降室，C0等可燃物充分燃烧，大颗粒沉降，出口温 度相对稳定，烟气依次进入多级热管蒸汽发生器和 热管省煤器，热交换后烟气温度降到180℃以下，再 通过管道进入布袋除尘器净化，净化后烟气经风机 1一热管：2一水套管：3一饱和水下降管：4一汽包：5一蒸汽上 由烟囱排入高空大气中.如图3所示. 升管 3.1.2汽水系统工艺流程 图1热管蒸汽发生器基本结构及工作原理图 汽水系统主要由软水装置、热力除氧器、热管蒸 Fig.I Basic configuration and operating principle of heat pipe 汽发生器、热管省煤器、汽包、蓄热器及汽水管道系 steam-making machines 统组成.工业新水经钠离子交换器软化后进入软水 热管蒸汽发生器的设计结构，使汽一水系统的 箱，通过软水泵送入大气式旋膜热力除氧器除氧，除 受热及循环完全和热源分离，独立存在于热流体的 氧水(104℃)进入除氧水箱后通过给水泵注入余热 风道之外，不受热流体的直接冲刷：其次热管元件之 回收装置，经热交换吸热后产生饱和蒸汽进入汽包. 200- 汽包 供外网 1.6Mh 蓄热器 分汽红缸 1300℃ 08-13Mp. 原水 水冷烟道 除氧器 给水 款水系 软水站 104℃ 混风阀 混风阀 燃烧沉降室 管蒸汽发生器 热管省煤器 除尘器→可风机 <850℃ c150℃ ◆>烟气流 水流 -孩汽流 图2热管式余热回收系统工艺流程图 Fig.2 Process flow diagram of a waste heat recovery system with heat pipes
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 可变性、热流方向的可逆性以及环境的适应性等特 性［5］． 目前，热管能适应的温度范围一般为 － 200 ～ 2 000 ℃，这也是其他传热元件所难以达到的［6］． 热管蒸汽发生器是由若干根热管元件组合而 成，其基本结构及工作原理如图 1 所示． 热管的受 热段置于热流体风道内，热风横掠热管受热段，热管 元件的放热段插在水--汽系统内． 热流体的热量由 热管 1 传给水套管 2 内的饱和水( 由饱和水下降管 3 输入) ，并使其汽化，所产蒸汽( 汽、水混合物) 经蒸 汽上升管 5 到达汽包 4，经汽水分离以后再经蒸汽 主控阀输出． ( 汽包内的水由后工序补充) 这样热管 不断将热量输入水套管，通过外部汽--水管道的上 升及下降完成汽--水循环，达到将热烟气降温、将水 转化为蒸汽的目的． 1—热管; 2—水 套 管; 3—饱 和 水 下 降 管; 4—汽 包; 5—蒸 汽 上 升管 图 1 热管蒸汽发生器基本结构及工作原理图 Fig． 1 Basic configuration and operating principle of heat pipe steam-making machines 图 2 热管式余热回收系统工艺流程图 Fig． 2 Process flow diagram of a waste heat recovery system with heat pipes 热管蒸汽发生器的设计结构，使汽--水系统的 受热及循环完全和热源分离，独立存在于热流体的 风道之外，不受热流体的直接冲刷; 其次热管元件之 间相互独立，热流体与蒸汽发生区相互隔离、互不影 响，即使单根或数根热管损坏，水、汽也不会进入烟 气通道，不影响系统正常运行; 第三，整个系统的热 量输送过程不需要任何外界动力． 因此，热管式换 热器在余热回收方面具有装置体积小、结构简单、运 行稳定和安全可靠等特点． 3 热管式余热回收技术的工艺流程及关键 参数的确定 3. 1 热管式余热回收主要工艺流程 热管式余热回收系统主要工艺流程是: 热管吸 收烟气携带的热量，将水转化成蒸汽并回收利用; 同 时回收烟气中的粉尘． 主要包括水冷烟道、蓄热式 燃烧沉降室、热管式余热锅炉、清灰系统、布袋式除 尘器、风机及蒸汽蓄热器等部分． 热管式余热回收 系统的主要工艺流程如图 2 所示． 3. 1. 1 烟气系统工艺流程 电炉冶炼过程产生的高温烟气通过炉盖上的第 4 孔排出，烟气温度为 300 ～ 1 300 ℃ 左右，通过水冷 式移动烟道混风降温，混风后烟气进入蓄热式燃烧 沉降室，CO 等可燃物充分燃烧，大颗粒沉降，出口温 度相对稳定，烟气依次进入多级热管蒸汽发生器和 热管省煤器，热交换后烟气温度降到 180 ℃ 以下，再 通过管道进入布袋除尘器净化，净化后烟气经风机 由烟囱排入高空大气中． 如图 3 所示． 3. 1. 2 汽水系统工艺流程 汽水系统主要由软水装置、热力除氧器、热管蒸 汽发生器、热管省煤器、汽包、蓄热器及汽水管道系 统组成． 工业新水经钠离子交换器软化后进入软水 箱，通过软水泵送入大气式旋膜热力除氧器除氧，除 氧水( 104 ℃ ) 进入除氧水箱后通过给水泵注入余热 回收装置，经热交换吸热后产生饱和蒸汽进入汽包． ·1288·
第10期 杨振国等：电炉流程中热管式余热回收 ·1289· 汽包 高温细气 人口 温冷却 除尘器 热管省煤器 热管燕汽发生器 图3热管式余热回收系统示意图 Fig.3 Schematic diagram of a waster heat recovery system with heat pipes 汽包将汽水分离后得到1.6MPa的饱和蒸汽，产生 予以修正，进而选择合理的风量，才能满足除尘效果 的饱和蒸汽通过主蒸汽管送入蓄热器，经蓄热器稳 及换热要求.以莱钢50t电炉为例，综合以上因素， 压后进分汽缸，通过分气缸供给用户使用. 经计算确定烟气流量为8.5×10m3h-1 3.2关键参数的确定 3.2.2系统阻损的确定 余热回收技术的关键参数有烟气流量、烟气温 根据低阻、中温、大流量工艺，优化管网设计，降 度和蒸汽压力.首先，根据电炉第4孔的理论排烟 低系统阻损.采用流速控制法，确定系统管道经济 量确定系统的风量，按照系统处理风量与系统阻损 流速为12~16ms,其基本理论见下式： 选择风机，使风机保持在其特性曲线的稳定高效区 AP=2[∑+∑（合）] (3) 段范围内工作.其次，根据热管及后序除尘滤袋的 耐热温度，合理配置各部位烟气温度，实现系统产汽 式中：△P为系统阻力损失，Pa;g为重力加速度，m 量稳定及除尘系统安全运行.第三，产生的蒸汽压 s2p为气流密度，kgm3;v为烟气流速，m·s; 力、温度及流量相对稳定，满足下游工序生产要求. 为局部阻力系数：入为摩擦阻力系数：D为管径，m; 3.2.1烟气流量的确定 L为管道长度，m 电炉氧化期的烟气量最大.烟气从电炉第4孔 通过以上的计算和优化，降低系统阻损的措施 立即进入燃烧沉降室，炉气中的C0全部燃烧成 如下：优化热管布置，将热管全部倾斜12°放置，便 C02' 于清除积灰：合理布置烟气管网结构，尽量减小弯头 00+1.5(0+×)= 及管道突变等产生的局部阻力，采用低阻结构的阀 门和选择合适的管道截面形状 C02+0.2502+2.82N2 (1) 3.2.3风机的选择 空气过热系数取1.5，则此时最大排烟量Q。为： 根据风机特性运行曲线，合理匹配管网阻力与 风机最佳工作点，使风机运行曲线相对平缓，实现高 Q0=（1+3.07φo） 6×60x22.4x 中co+中co2 12 x Ve,mas 效低耗 (2) 由风机P-Q特性曲线图（图4）可知：管网③设 式中：Q。为电炉氧化期最大排烟量，m3,h1;e,m为 计不合理，特性曲线高而陡，为达到所需的处理风 最大脱碳速率，minl;G为最大装入金属量，kg:中co 量，则须选用较高压头的风机，系统能耗也随之增 为炉气中C02体积分数；中o为炉气中C0体积 加；管网②经优化设计后，特性曲线低且平坦，只需 分数 选用低压头的风机，就能得到所需处理的风量，能 电炉兑加铁水比例大时，炉内脱碳量大，烟气量 耗低. 会加大.吹氧时一般按吹氧量的3~4倍设计排烟 当风机工作在曲线①的A点附近，输出设计所 量口.风量选取得小，将影响换热能力和除尘效果： 需要的风量Q在效率曲线④的高效点A处，其效率 风量选取得大，电炉内吸入冷风量大，将会使电炉能 和功率分别为n4和N;图中N虽然大于Ng,但基 耗升高. 本式（下式）可知：此时，风机输出的单位风量所消 因此，理论计算的风量需结合现场工况，对结果 耗的能量低，即高效率、低能耗
第 10 期 杨振国等: 电炉流程中热管式余热回收 图 3 热管式余热回收系统示意图 Fig． 3 Schematic diagram of a waster heat recovery system with heat pipes 汽包将汽水分离后得到 1. 6 MPa 的饱和蒸汽，产生 的饱和蒸汽通过主蒸汽管送入蓄热器，经蓄热器稳 压后进分汽缸，通过分气缸供给用户使用． 3. 2 关键参数的确定 余热回收技术的关键参数有烟气流量、烟气温 度和蒸汽压力． 首先，根据电炉第 4 孔的理论排烟 量确定系统的风量，按照系统处理风量与系统阻损 选择风机，使风机保持在其特性曲线的稳定高效区 段范围内工作． 其次，根据热管及后序除尘滤袋的 耐热温度，合理配置各部位烟气温度，实现系统产汽 量稳定及除尘系统安全运行． 第三，产生的蒸汽压 力、温度及流量相对稳定，满足下游工序生产要求． 3. 2. 1 烟气流量的确定 电炉氧化期的烟气量最大． 烟气从电炉第 4 孔 立即进入燃烧沉降室，炉气中的 CO 全部燃烧成 CO2， CO + 1 ( . 5 1 2 O2 + 1 2 × 79 21 N2 ) = CO2 + 0. 25O2 + 2. 82N2 ( 1) 空气过热系数取 1. 5，则此时最大排烟量 Q0为: Q0 = ( 1 + 3. 07CO) G CO + CO2 × 60 × 22. 4 12 × vc，max ( 2) 式中: Q0为电炉氧化期最大排烟量，m3 ·h － 1 ; vc，max为 最大脱碳速率，min － 1 ; G 为最大装入金属量，kg; CO2 为炉气 中 CO2 体 积 分 数; CO 为 炉 气 中 CO 体 积 分数． 电炉兑加铁水比例大时，炉内脱碳量大，烟气量 会加大． 吹氧时一般按吹氧量的 3 ～ 4 倍设计排烟 量［7］． 风量选取得小，将影响换热能力和除尘效果; 风量选取得大，电炉内吸入冷风量大，将会使电炉能 耗升高． 因此，理论计算的风量需结合现场工况，对结果 予以修正，进而选择合理的风量，才能满足除尘效果 及换热要求． 以莱钢 50 t 电炉为例，综合以上因素， 经计算确定烟气流量为 8. 5 × 104 m3 ·h － 1 ． 3. 2. 2 系统阻损的确定 根据低阻、中温、大流量工艺，优化管网设计，降 低系统阻损． 采用流速控制法，确定系统管道经济 流速为 12 ～ 16 m·s － 1 ，其基本理论见下式: ΔP = 1 2g ρν [ 2 ∑ ξ + ∑ ( λ ) D L ] ( 3) 式中: ΔP 为系统阻力损失，Pa; g 为重力加速度，m· s － 2 ; ρ 为气流密度，kg·m － 3 ; v 为烟气流速，m·s － 1 ; ξ 为局部阻力系数; λ 为摩擦阻力系数; D 为管径，m; L 为管道长度，m． 通过以上的计算和优化，降低系统阻损的措施 如下: 优化热管布置，将热管全部倾斜 12°放置，便 于清除积灰; 合理布置烟气管网结构，尽量减小弯头 及管道突变等产生的局部阻力，采用低阻结构的阀 门和选择合适的管道截面形状． 3. 2. 3 风机的选择 根据风机特性运行曲线，合理匹配管网阻力与 风机最佳工作点，使风机运行曲线相对平缓，实现高 效低耗． 由风机 P--Q 特性曲线图( 图 4) 可知: 管网③设 计不合理，特性曲线高而陡，为达到所需的处理风 量，则须选用较高压头的风机，系统能耗也随之增 加; 管网②经优化设计后，特性曲线低且平坦，只需 选用低压头的风机，就能得到所需处理的风量，能 耗低． 当风机工作在曲线①的 A 点附近，输出设计所 需要的风量 QA在效率曲线④的高效点 A'处，其效率 和功率分别为 ηA和 NA ; 图中 NA虽然大于 NB，但基 本式( 下式) 可知: 此时，风机输出的单位风量所消 耗的能量低，即高效率、低能耗． ·1289·
·1290· 北京科技大学学报 第33卷 OP (4) 左右，传热的主要矛盾在外部环节四：热源与热管 N=3600× -xK 蒸发段外壁间的换热过程：冷水与热管冷凝段外壁 式中：N为风机所需配用的电机功率，W;Q为风机 间的换热过程.因此，根据传热学原理，热管的工作 输出流量，m3·h-1:P为风机的风压，Pa;n为风机效 温度t,由下式确定： 率；K为电机容量安全系数，除尘系统取1.10~ 1.15图 Reth Rite t.= R。+R (6) 引风机的性能参数是按大气压力101.3kPa,温 度200℃，气体密度p=0.745kg·m3时的烟气介质 式中：R。为冷却介质与热管的换热热阻，℃·W-:th 计算的，因此选择风机时应对参数进行换算 为烟气温度，℃：R为烟气与热管的换热热阻，℃· P=P,×10L3×273+1 W-1;t.为冷却介质温度，℃ ~273+200 (5) 由于碳钢一水重力式热管主要依靠管内液态水 式中：P。为引风机样本上的风压，Pa;P为系统需要 的相态变化来传热，碳钢中的铁和水中的氧在一定 的风压；Pa;P,为实际工作条件下大气压，kPa;t为 温度结合成为Fe(OH),或Fe,O,而放出不能凝结的 氢气.随着管内水温的升高，当热管内温度达到 实际工作下的温度，℃. 其次，当风机输出设计所需的风量降低至Qs 350℃时，管内添加的钝化剂将会失效，反应产生氢 时，风机特性曲线①在电机转速不变时是不变的，此 气量增多，在热管的冷凝段将形成不凝性气区，管内 时风机工作点移至B点，输出压头升至Pg:管网特 压力急剧升高，当压力超过碳钢管所承受的最高内 性曲线变得高而陡，能耗也随之增加：当采用变频电 压力时就会引发“爆管” 机时，降低转速可使风机运行曲线变为曲线⑥，管网 由式(6)可以算出，当热管冷却介质（锅炉饱和 特性曲线不变，输出压头降至Pc,由式(4)可知，能 水)在压力为1.6MPa、温度为205℃时，烟气温度按 耗随之降低. 850℃计算，热管温度已达到330℃以上.因此要保 因此，针对电炉烟气量和温度随治炼周期呈周 证热管余热锅炉长期安全、有效地工作，入口烟气温 期性变化的特点，系统采用变频调速风机，电炉在熔 度应控制在850℃以下至关重要. 化期、氧化期产生烟气量大，烟气温度高，风机满负 以莱钢50t电炉热管式余热回收系统为例，入 荷运行，提高余热回收量、保证除尘效果：装料、出钢 口烟气温度控制在800℃以下，各种工况下具体计 阶段炉盖旋开，进入系统的环境空气，其温度低，风 算参数见表1. 机低转速运行，减少系统热量损失，同时降低系统运 当进入蒸汽发生器入口烟气温度临近800℃ 行能耗. 时，拉大水冷烟道与电炉第4孔烟道的距离降低入 口烟气温度：当上述调整不能满足降温要求时，需要 A(D 开启沉降室侧墙上的混风阀降温 同时为保证系统除尘器滤袋的使用寿命，除尘 C 器的入口温度不能高于180℃，在除尘器入口管道 上设置野风阀，当除尘器的入口温度超过上限时打 开野风阀降温 3.2.5蒸汽压力的控制 当前，我国电炉钢厂主要生产工艺流程为 EAF一LFVD(RH)一CC.一方面电炉生产过程中 产生的烟气可以作为热源产生源源不断的蒸汽：另 一方面，VD(RH)炉在生产过程中需要稳定的蒸汽 ①、⑥一风机运行曲线：②、③一管网特性曲线：④一风机效率曲 供射流泵抽真空使用.但是，作为热源的高温烟气 线：⑤一风机内在功率曲线 在电炉冶炼过程中波动较大，其流量和温度都有很 图4风机P-Q特性曲线图 剧烈的波动，产汽量的波动范围也相应较大.为此， Fig.4 P-characteristic curves of fans 在热管蒸汽发生器后串接蓄热器，使余热回收系统 3.2.4烟气温度选择与控制 产生的蒸汽同时满足VD(H)炉对蒸汽压力、温度 热管内部换热过程的热阻只占总热阻的10% 及流量的要求
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 N = QP 3 600 × η × K ( 4) 式中: N 为风机所需配用的电机功率，W; Q 为风机 输出流量，m3 ·h － 1 ; P 为风机的风压，Pa; η 为风机效 率; K 为电机容量安全系数，除 尘 系 统 取 1. 10 ～ 1. 15 ［8］． 引风机的性能参数是按大气压力 101. 3 kPa，温 度 200 ℃，气体密度 ρ = 0. 745 kg·m － 3 时的烟气介质 计算的，因此选择风机时应对参数进行换算． P0 = P1 × 101. 3 Pb × 273 + t 273 + 200 ( 5) 式中: P0为引风机样本上的风压，Pa; P1为系统需要 的风压; Pa; Pb为实际工作条件下大气压，kPa; t 为 实际工作下的温度，℃ ． 其次，当风机输出设计所需的风量降低至 QB 时，风机特性曲线①在电机转速不变时是不变的，此 时风机工作点移至 B 点，输出压头升至 PB ; 管网特 性曲线变得高而陡，能耗也随之增加; 当采用变频电 机时，降低转速可使风机运行曲线变为曲线⑥，管网 特性曲线不变，输出压头降至 PC，由式( 4) 可知，能 耗随之降低． 因此，针对电炉烟气量和温度随冶炼周期呈周 期性变化的特点，系统采用变频调速风机，电炉在熔 化期、氧化期产生烟气量大，烟气温度高，风机满负 荷运行，提高余热回收量、保证除尘效果; 装料、出钢 阶段炉盖旋开，进入系统的环境空气，其温度低，风 机低转速运行，减少系统热量损失，同时降低系统运 行能耗． ①、⑥—风机运行曲线; ②、③—管网特性曲线; ④—风机效率曲 线; ⑤—风机内在功率曲线 图 4 风机 P--Q 特性曲线图 Fig． 4 P-Q characteristic curves of fans 3. 2. 4 烟气温度选择与控制 热管内部换热过程的热阻只占总热阻的 10% 左右，传热的主要矛盾在外部环节［9］: 热源与热管 蒸发段外壁间的换热过程; 冷水与热管冷凝段外壁 间的换热过程． 因此，根据传热学原理，热管的工作 温度 tv由下式确定: tv = Rc th + Rh tc Rc + Rh ( 6) 式中: Rc为冷却介质与热管的换热热阻，℃·W － 1 ; th 为烟气温度，℃ ; Rh为烟气与热管的换热热阻，℃· W － 1 ; tc为冷却介质温度，℃ ． 由于碳钢--水重力式热管主要依靠管内液态水 的相态变化来传热，碳钢中的铁和水中的氧在一定 温度结合成为 Fe( OH) 2或 Fe3O4而放出不能凝结的 氢气． 随着管内水温的升高，当热管内温度达到 350 ℃时，管内添加的钝化剂将会失效，反应产生氢 气量增多，在热管的冷凝段将形成不凝性气区，管内 压力急剧升高，当压力超过碳钢管所承受的最高内 压力时就会引发“爆管”． 由式( 6) 可以算出，当热管冷却介质( 锅炉饱和 水) 在压力为 1. 6 MPa、温度为 205 ℃时，烟气温度按 850 ℃计算，热管温度已达到 330 ℃ 以上． 因此要保 证热管余热锅炉长期安全、有效地工作，入口烟气温 度应控制在 850 ℃以下至关重要． 以莱钢 50 t 电炉热管式余热回收系统为例，入 口烟气温度控制在 800 ℃ 以下，各种工况下具体计 算参数见表 1． 当进入蒸汽发生器入口烟气温度临近 800 ℃ 时，拉大水冷烟道与电炉第 4 孔烟道的距离降低入 口烟气温度; 当上述调整不能满足降温要求时，需要 开启沉降室侧墙上的混风阀降温． 同时为保证系统除尘器滤袋的使用寿命，除尘 器的入口温度不能高于 180 ℃，在除尘器入口管道 上设置野风阀，当除尘器的入口温度超过上限时打 开野风阀降温． 3. 2. 5 蒸汽压力的控制 当前，我国电炉钢厂主要生产工艺流程为 EAF—LF—VD( RH) —CC． 一方面电炉生产过程中 产生的烟气可以作为热源产生源源不断的蒸汽; 另 一方面，VD( RH) 炉在生产过程中需要稳定的蒸汽 供射流泵抽真空使用． 但是，作为热源的高温烟气 在电炉冶炼过程中波动较大，其流量和温度都有很 剧烈的波动，产汽量的波动范围也相应较大． 为此， 在热管蒸汽发生器后串接蓄热器，使余热回收系统 产生的蒸汽同时满足 VD( RH) 炉对蒸汽压力、温度 及流量的要求． ·1290·
第10期 杨振国等：电炉流程中热管式余热回收 ·1291· 表1菜钢501电炉热管式余热锅炉各工况下风量-温度设计参数 Table 1 Air volume-temperature design parameters of the heat-pipe waste-heat boiler in the 50t electric are furnace of Laiwu Steel 烟气流量/ 烟气进口 蒸发器1级 蒸发器2级 蒸发器3级 预热水 省煤器出口 (m3.h-1) 温度/℃ 出口温度/℃ 出口温度/℃ 出口温度/℃ 温度/℃ 温度/℃ 500 415 236 214 168 141 550 438 245 217 172 142 600 462 255 221 175 144 85000 650 488 265 226 179 144 700 514 277 231 182 145 750 535 284 234 186 147 800 553 286 235 190 151 蓄热器是利用水蓄热的，并利用高、低压力下饱 表2莱钢501电炉系统及余热回收装置运行参数 和水的焓差使水闪蒸，放出蒸汽.初期使用时充入 Table 2 Working parameters of the 50tare fumace and waster heat re- 除氧水，当高压蒸汽过量时，蒸汽通过内部充热装置 covery equipment,Laiwu Steel 名称 参数 喷入水中，并迅速凝结放热，使蓄热器内水位和压力 平均出钢量：53t 升高，直至压力与蒸汽压力相等，完成充热过程，这 变压器容量：35000kV·A 时蓄热器内的水是高压下的饱和水；当低压蒸汽用 铁水克加比例：35%~65% 量大于蒸汽发生器产汽量时，与蓄热器相连的低压 电炉 吹氧压力：l.0~1.5MPa 管道压力下降，蓄热器中的饱和水成为过热水，将自 最大供氧量：6000m3.h 行沸腾放热，水位下降，产生低压蒸汽供给用户，完 治炼周期：40~42mim 成放热过程. 抽气能力：300kgh1(≤67Pa) 真空炉(VD) 平均蒸汽耗量：9~11h1 系统的蒸汽压力根据用户的使用要求选定，一 使用蒸汽压力：0.8~1.0MPa 般不能超过2.5MPa;1台蓄热器的容积应至少满足 入口烟气温度：300~800℃ VD(RH)炉处理1炉钢水的用汽量 出口烟气温度：120~180℃ 余热锅炉 工作压力：l.6MPa 4热管式余热回收技术在电炉流程的工程 产生蒸汽量：6~13h1 实践 出口蒸汽压力0.8~1.4MPa(可调) 目前，国内电炉烟气余热利用尚属起步阶 蓄热器 蒸汽温度：180~203℃ 段0.2007年1月莱钢在50t电炉首家研发并工 容积：150m3×2台 产汽量：13th1 程应用热管式余热回收技术，经过不断技术改造和 柴油锅炉 柴油消耗：0.99th1 优化，整个系统运行稳定可靠.莱钢50t电炉系统 及余热回收装置运行参数如表2.电炉兑加铁水比 表3电炉兑加铁水比例一入口最高烟气温度一产汽量的关系 例与蒸汽发生器入口最高烟气温度及产汽量的关系 Table 3 Relation among additive hot metal ratio,maximum temperature 如表3. of entrance flue gas and mass of steam 电炉兑加铁水 入口最高 产汽量/ 从表2、表3可以看出：当电炉兑加铁水比例≤ 比例/% 烟气温度/℃ (t-h-1) 40%时，烟气温度较低，产汽量较少，不能完全取代 35 590 6.3 柴油锅炉：当电炉兑加铁水比例≥50%时，平均产蒸 40 633 7.2 汽量在10th1左右，产生的蒸汽满足真空脱气炉 45 671 8.5 (VD)抽真空的需求，可完全取代柴油锅炉为VD炉 50 698 9.8 提供蒸汽. 55 725 11.4 60 748 12.6 4.1清灰系统比较 65 759 13.1 电炉烟尘含尘量在8~15g·m-3,最高时段在 备注：1)每组数为在相同的装备条件下，且生产顺行时，生产 30g"m3;其中97%以上的颗粒直径≤10μm,个别 1000炉的实测数据平均值：2)当铁水比≥60%时，部分时段需开启 颗粒达到纳米级：且其铁的质量分数≥56%，附着力 混风阀降低蒸汽发生器入口的烟气温度
第 10 期 杨振国等: 电炉流程中热管式余热回收 表 1 莱钢 50 t 电炉热管式余热锅炉各工况下风量--温度设计参数 Table 1 Air volume-temperature design parameters of the heat-pipe waste-heat boiler in the 50 t electric arc furnace of Laiwu Steel 烟气流量/ ( m3 ·h － 1 ) 烟气进口 温度/℃ 蒸发器 1 级 出口温度/℃ 蒸发器 2 级 出口温度/℃ 蒸发器 3 级 出口温度/℃ 预热水 温度/℃ 省煤器出口 温度/℃ 500 415 236 214 168 141 550 438 245 217 172 142 600 462 255 221 175 144 85 000 650 488 265 226 179 144 700 514 277 231 182 145 750 535 284 234 186 147 800 553 286 235 190 151 蓄热器是利用水蓄热的，并利用高、低压力下饱 和水的焓差使水闪蒸，放出蒸汽． 初期使用时充入 除氧水，当高压蒸汽过量时，蒸汽通过内部充热装置 喷入水中，并迅速凝结放热，使蓄热器内水位和压力 升高，直至压力与蒸汽压力相等，完成充热过程，这 时蓄热器内的水是高压下的饱和水; 当低压蒸汽用 量大于蒸汽发生器产汽量时，与蓄热器相连的低压 管道压力下降，蓄热器中的饱和水成为过热水，将自 行沸腾放热，水位下降，产生低压蒸汽供给用户，完 成放热过程． 系统的蒸汽压力根据用户的使用要求选定，一 般不能超过 2. 5 MPa; 1 台蓄热器的容积应至少满足 VD( RH) 炉处理 1 炉钢水的用汽量． 4 热管式余热回收技术在电炉流程的工程 实践 目 前，国内电炉烟气余热利用尚属起步阶 段［10］． 2007 年 1 月莱钢在 50 t 电炉首家研发并工 程应用热管式余热回收技术，经过不断技术改造和 优化，整个系统运行稳定可靠． 莱钢 50 t 电炉系统 及余热回收装置运行参数如表 2． 电炉兑加铁水比 例与蒸汽发生器入口最高烟气温度及产汽量的关系 如表 3． 从表 2、表 3 可以看出: 当电炉兑加铁水比例≤ 40% 时，烟气温度较低，产汽量较少，不能完全取代 柴油锅炉; 当电炉兑加铁水比例≥50% 时，平均产蒸 汽量在 10 t·h － 1 左右，产生的蒸汽满足真空脱气炉 ( VD) 抽真空的需求，可完全取代柴油锅炉为 VD 炉 提供蒸汽． 4. 1 清灰系统比较 电炉烟尘含尘量在 8 ～ 15 g·m － 3 ，最高时段在 30 g·m － 3 ; 其中 97% 以上的颗粒直径≤10 μm，个别 颗粒达到纳米级; 且其铁的质量分数≥56% ，附着力 表 2 莱钢 50 t 电炉系统及余热回收装置运行参数 Table 2 Working parameters of the 50 t arc furnace and waster heat recovery equipment，Laiwu Steel 名称 参数 电炉 平均出钢量: 53 t 变压器容量: 35 000 kV·A 铁水兑加比例: 35% ～ 65% 吹氧压力: 1. 0 ～ 1. 5 MPa 最大供氧量: 6 000 m3 ·h － 1 冶炼周期: 40 ～ 42 min 真空炉( VD) 抽气能力: 300 kg·h － 1 ( ≤67 Pa) 平均蒸汽耗量: 9 ～ 11 t·h － 1 使用蒸汽压力: 0. 8 ～ 1. 0 MPa 余热锅炉 入口烟气温度: 300 ～ 800 ℃ 出口烟气温度: 120 ～ 180 ℃ 工作压力: 1. 6 MPa 产生蒸汽量: 6 ～ 13 t·h － 1 蓄热器 出口蒸汽压力: 0. 8 ～ 1. 4 MPa( 可调) 蒸汽温度: 180 ～ 203 ℃ 容积: 150 m3 × 2 台 柴油锅炉 产汽量: 13 t·h － 1 柴油消耗: 0. 99 t·h － 1 表 3 电炉兑加铁水比例--入口最高烟气温度--产汽量的关系 Table 3 Relation among additive hot metal ratio，maximum temperature of entrance flue gas and mass of steam 电炉兑加铁水 比例/% 入口最高 烟气温度/℃ 产汽量/ ( t·h － 1 ) 35 590 6. 3 40 633 7. 2 45 671 8. 5 50 698 9. 8 55 725 11. 4 60 748 12. 6 65 759 13. 1 备注: 1) 每组数为在相同的装备条件下，且生产顺行时，生产 1 000炉的实测数据平均值; 2) 当铁水比≥60% 时，部分时段需开启 混风阀降低蒸汽发生器入口的烟气温度． ·1291·